基于PIC单片机的无刷直流电机控制系统

摘要：基于PIC单片机的无刷直流电机控制系统的出现，可以让人们对无刷直流电机控制系统的要求得到满足。无刷直流电机可以在延长电机定期维护修理时间的基础上，促进电机使用效率的提升。本文主要从无刷直流电机控制系统方案入手，对无刷直流电机控制系统的硬件设计和软件设计等问题进行了探究。

关键词：PIC单片机；无刷直流电机控制系统；系统硬件设计

随着社会生产技术与人们生活水平的提升，无刷直流电机已经在航空航天、国防科技和家用电器等多个领域得到了应用。根据单片机技术的发展现状，基于单片机技术和DSP微处理器技术的数字系统已经逐步取代了传统的模拟系统。基于单片机的无刷直流电机系统的出现，在节约生产成本的同时，发挥出了降低电路PCB板布线难度的作用。

1 无刷直流电机控制系统方案设计

无刷直流电机模型建立在直流电机模型基础之上。根据无刷直流电机系统的实际应用需求，人们可以借助Proteus软件对电机的额定使用电压、空载状态参数和转子转动惯量等参数进行调整[1]。在一些无刷直流电机控制系统之中，ATmegal128单片机发挥着主控芯片的作用。一般情况下，无刷直流电机控制系统主要包含有以下内容：一是电动机系统；二是转子位置传感器；三是电子开关线路；四是驱动电路。与之相关的控制系统需要在检测相应信息的基础上，确定转子的位置。在基于PIC单片机的无刷直流电机控制系统方案设计方面，人们需要对霍爾传感器和由驱动功率型场效应管组成的电子开关等器件进行应用。电流检测电路和过流保护电路模块的构建，有助于对线路板及其他重要器件的过流影响进行控制。电源电路需要发挥出主控芯片的作用，并要为驱动电路和逆变电路提供电源。与之相关的保护电路包含有欠压保护机制和过流保护机制。

2 无刷直流电机控制系统硬件设计

无刷直流电机控制系统硬件电路包含有硬件电路、电机驱动电路和功率逆变电路等多种电路。基于PIC单片机的无刷直流电机控制系统的出现，可以让人们对无刷直流电机控制系统的要求得到满足。无刷直流电机可以在延长电机定期维护修理时间的基础上，促进电机使用效率的提升。

2.1 主控单元设计

主控单元是无刷直流电机控制系统中的重要内容。与之相关的各个引脚需要发挥出数字量输入口、模拟量输入口和单片机电源端接地管脚等功能。根据无刷直流电机控制系统硬件设计需要，主控单元的电压范围可以控制在2.0V至5.5V之间。高灌/拉电流需要具有直流驱动LED的能力。为保证主控单元的实用性，人们需要在主控单元中设计2个8位定时器、1个16位定时器和2个PWM输出，与之相关的A/D转换器需要包含有10位分辨率和8个通道。

2.2 电源模块设计

系统的电源电路主要有两组电源构成。第一组电源为总电源，它可以为电路提供48V电压。针对电源线、电路板走线过程中出现的杂波干扰，人们可以让电路中的电解电容发挥出退耦功能。第二组电源电压值为5V，具有着为单片机和逻辑电路提供电压的功能。由于单片机A/D转换的基准电压值为5V，因而为单片机和逻辑电路提供电压的电源电路的电压范围需要控制在4.9V至5.1V之间。

2.3 功率电路设计

功率电路在无刷直流电机控制系统中发挥着较为重要的作用。其所具有的整流功能可以让输入电机控制系统的220V交流电转变为310V直流电。直流电压可以被看作是逆变单元的直流母线电压。根据控制器的要求，逆变单元可以将直流母线电压逆变为交流电压，并将其施加在电机绕组之上。整流电路和功率电路是无刷直流电机控制系统功率电路的重要组成部分。一般情况下，在电流突变至零以后，无刷直流电机绕组会在电流突变瞬间感受到较大的电压。在换相阶段，相电流的缓慢下降，可以为功率器件和电机提供一定的保护功能。出于保护电机的需要，人们还需要对电机的电流和温度进行检测，对此人们可以通过电源对地端连接一个取样电阻，并让取样电阻发挥出电流传感器的作用。

3 无刷直流电机控制系统的软件设计

无刷直流电机控制系统的软件设计包含由主程序、位置检测子程序和调速子程序等多个程序。捕捉中断、定时中断和外部中断等软件设计方法的应用，有助于系统静态功耗和动态功耗的降低[2]。与之相关的模块化设计方案的应用，可以在降低程序的复杂性的基础上，降低程序调试与程序维护的难度。

3.1 系统主程序设计

系统主程序设计主要指的是无刷直流电机控制系统的子程序模块设计和中断服务程序等内容。系统的初始化功能是系统主程序所具有的重要功能。出于获取霍尔传感器采集端口电平的需要，人们需要不断开启定时器中断设置，并要在定时中断的信号出现变化的情况下，借助电子转子位置调整措施完成子程序采样。在上电复位以后，系统初始化设计主要包含有以下内容：一是I/O的初始值设置、二是中断设置与PWM相关寄存器的初值设置；三是A/D相关寄存器初值设置。

3.2 控制系统子程序模块设计

子程序模块涉及到了单片机中断与模块转换器模块等多个子系统。A/D转换子程序流程涉及到了关闭中断、采样通道的选取转换结果的读取等多项内容。

3.3 PC端监测软件设计

PC端监测软件是电机控制系统中不可缺少的内容，它可以发挥出促进电机工作效率提升和降低系统调试时间的作用。为提升数据的直观性及数据的表达能力，人们可以在对监测数据曲线显示形式进行应用。

4 结语

硬件设计、软件设计和PC端监测软件设计是基于PIC单片机无刷直流电机控制系统系统设计中的关键元素。与之相关的模块化设计方案的应用，可以在降低程序的复杂性的基础上，降低程序调试与程序维护的难度。

参考文献：

[1]孙晓旭，王劲松，安志勇.基于Proteus和AVR单片机的无刷直流电机控制系统仿真[J].电子设计工程，2015，23（19）：174176+180.

[2]李健飞，郝桂青.基于MC9S12D64单片机的直流无刷电机控制系统设计[J].电子设计工程，2010，18（12）：102104.

作者简介：李小枝（1987），男，回族，甘肃陇西人，研究方向：四旋翼无人机及任务载荷测试。